李政 高泰 孫康圣

摘? 要：水上環(huán)衛(wèi)機(jī)在水面污染治理和整治預(yù)防水生植物泛濫上發(fā)揮著越來越重要的作用，為使水上環(huán)衛(wèi)機(jī)能夠更智能化、更自動(dòng)化、更適應(yīng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的市場環(huán)境，水上環(huán)衛(wèi)機(jī)需要一款新型的結(jié)構(gòu)控制體系，文章針對在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)市場環(huán)境需要下對水上環(huán)衛(wèi)機(jī)高效益的結(jié)構(gòu)要求，在結(jié)構(gòu)的收納桶、主副驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、PLC的選型、線路布置和程序等方面做出產(chǎn)品設(shè)計(jì)，更加符合市場需求和時(shí)代趨勢，具備廣闊的市場前景。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新;垃圾清潔;機(jī)械結(jié)構(gòu);水體污染

中圖分類號：X705? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）15-0026-03

Abstract： Water sanitation machines are playing anincreasingly important role in water pollution control and prevention of flooding of aquatic plants. In order to make water sanitation machines more intelligent， automatic， and adapted to the innovative and entrepreneurial market environment， water sanitation machines need a new type of structural control system. This paper aims at the structural requirements for high efficiency of water sanitation machines under the need of innovative and entrepreneurial market environment. Product design is made in the aspects of structural storage bucket， main and auxiliary drive system， selection of PLC， line layout and program， which is in line with the market demand and the trend of the times， and has a broad market prospect.

Keywords： innovation; garbage cleaning; mechanical structure; water pollution

當(dāng)前是大數(shù)據(jù)的時(shí)代，是挑戰(zhàn)與機(jī)遇共行的時(shí)代，是“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的時(shí)代。同時(shí)，自進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，水污染問題已成為全球化問題。而在中國，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，近年來，水污染也已成為我國城市面臨的嚴(yán)重環(huán)境問題。它不僅危害到市民的公共健康，抑制我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還嚴(yán)重破壞了生態(tài)平衡。面對如此嚴(yán)重的水污染問題，目前我國政府和各級地方政府及有關(guān)部門提高了對污水處理事業(yè)的重視[1]。在這樣的社會(huì)背景和時(shí)代條件下，針對河道漂浮的生活垃圾以及水生漂浮植物進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)處理的新機(jī)器——水上環(huán)衛(wèi)機(jī)出現(xiàn)了，它用以避免人工打撈出現(xiàn)的諸多弊端，快速而持續(xù)的清理河道漂浮的生活垃圾，以及水生漂浮植物，管控、解決現(xiàn)存凸顯的污染問題，及時(shí)有效處理城市水面環(huán)境污染及預(yù)防整治部分水生植物泛濫。

1 水上環(huán)衛(wèi)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（見圖1）

1.2 收納桶設(shè)計(jì)

圖1中標(biāo)注1展示的是水上環(huán)衛(wèi)機(jī)的主體部分——塑料制收納桶，樣機(jī)初步設(shè)計(jì)尺寸為：上直徑500mm，下直徑130-150mm，桶深550mm，后期根據(jù)實(shí)際測算進(jìn)行調(diào)整和修改。管道設(shè)計(jì)成插口式連接，方便水泵安裝、維護(hù)及更換。

其內(nèi)容積相當(dāng)于一個(gè)倒圓臺(tái)加一個(gè)圓柱，圓臺(tái)體積為大圓錐體積與小圓錐體積之差，即得出容積約為121.4dm3，若全部蓄滿水（假設(shè)水的密度為1g/cm3）計(jì)算流量：Q=uA（2P/p）/2

u=80 A=2.5πdm2

P=pgh Q≈15dm3/s

蓄滿水需要約12秒的時(shí)間。結(jié)論：流量過大，需用大功率水泵。

市場上約在500元價(jià)位的水泵，抽水最大工作效率一般90m3/h，合為0.025m3/s，可以正常使用，可選用最高流量在60-70m3/s之間的水泵。

根據(jù)圖1中標(biāo)注6所示，在收納桶底部放置活性炭過濾網(wǎng)，可以有效的去除水中的雜質(zhì)。在清除可見污染垃圾的基礎(chǔ)上，再從根本上提高水的清潔度和無毒性，改善水質(zhì)，更好地維護(hù)了生態(tài)的平衡。

管道采用UPVC DN80-φ89mm（無Cl殘留，較PVC管更環(huán)保、耐用）[2]。

桶內(nèi)的濾網(wǎng)采用普通魚線網(wǎng)材質(zhì)，成本低，實(shí)用性強(qiáng)，耐腐蝕和浸泡，為了使濾網(wǎng)在自動(dòng)提起翻倒清理垃圾時(shí)方便，需對濾網(wǎng)進(jìn)行定型，固定其總體形狀，防止發(fā)生變形，創(chuàng)新使用十字定型法。十字形為不銹鋼制質(zhì)硬鋼絲固定，在節(jié)約成本的同時(shí)也可以防止濾網(wǎng)在傾倒垃圾時(shí)出現(xiàn)變形，塌陷或堵塞。

勾柄：勾柄左端與濾網(wǎng)內(nèi)的鋼條相接，右端固定在驅(qū)動(dòng)濾網(wǎng)上升和下降的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件上，驅(qū)動(dòng)構(gòu)件上下運(yùn)動(dòng)將濾網(wǎng)提起或放入收納桶中。

1.3 主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

其安裝于機(jī)器下端左側(cè)收納桶外壁與主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連，因在設(shè)計(jì)過程中，考慮到其在驅(qū)動(dòng)力作用下，容積較大且入水前所受浮力相對較強(qiáng)，為確保其可靠性和牢固性，故整個(gè)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和收納筒外殼選用3mm厚不銹鋼外殼。主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制收納桶的上下位置，副驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制濾網(wǎng)的吊起及復(fù)位。

主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源-電機(jī)箱，采用螺旋機(jī)構(gòu)上升和下降，中間一根為絲桿，兩邊兩根為光桿，由主電機(jī)提供動(dòng)力，位于頂部擋板處為其上線位極限位置，當(dāng)托板上升到頂處時(shí)則停止。下部有浮球，當(dāng)收納桶下降至水位以下5cm處，浮球便會(huì)觸及下限位開關(guān)，則電機(jī)停止。根據(jù)前文所述收納箱容積為121.4dm3，當(dāng)收納桶浸入水中，受到向上的最大浮力約為其裝滿水的容積，即：

F浮=pgv=1189.72N

設(shè)備自重控制在65kg左右：

G=mg=637N? ?F浮-G=552.72N

出于保守考慮，實(shí)際存在摩擦損耗，阻力損耗和內(nèi)能流失損耗，機(jī)械效率測算為75%，而電機(jī)也受到的是全部浮力和設(shè)備自重，也就是1189.72N。

由此可見，主驅(qū)動(dòng)對動(dòng)力要求較大，而采用螺旋結(jié)構(gòu)，可以降低對電機(jī)的要求，有效的提高動(dòng)力輸出。（而相反的是，機(jī)械效率也會(huì)降低）[3]。

1.4 副驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

副驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要負(fù)載對象是濾網(wǎng)，濾網(wǎng)內(nèi)的垃圾以及一些輕型構(gòu)件和自重，和主驅(qū)動(dòng)相同，都是螺旋機(jī)構(gòu)，其主要運(yùn)動(dòng)是：帶動(dòng)濾網(wǎng)沿著螺桿上升并翻扣，將垃圾倒出到回收垃圾桶后并返回到收納桶內(nèi)（有限位），其運(yùn)動(dòng)軌跡由螺桿控制，并有兩根光桿同時(shí)約束，使其翻倒垃圾時(shí)的位置能夠精確，濾網(wǎng)較輕，所以對電機(jī)動(dòng)力要求不高。

1.5 工作原理

環(huán)衛(wèi)機(jī)的垃圾處理由1-收納桶中7-水泵接口連接水泵的制造水流落差產(chǎn)生渦流，將垃圾聚集并吸進(jìn)4-內(nèi)層收納桶漏斗，并進(jìn)行周期性過濾。通過監(jiān)控水流速度和船速來調(diào)整漏斗下潛深度，以保證漩渦吸力。完成垃圾打撈后，環(huán)衛(wèi)機(jī)2-主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)箱提供電力，螺旋機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)軌中央的絲桿及兩端光纖做上升下降，到達(dá)頂部擋板處，上限位停止，上沿處皮帶帶動(dòng)收納桶運(yùn)動(dòng)，將垃圾傾倒入船身，以上是環(huán)衛(wèi)機(jī)垃圾收集原理[4]。

2 電路控制系統(tǒng)PLC的選型

2.1 PLC的選型

FX2N-24MR-001是三菱公司的可編程控制器（PLC），繼電器輸出及輸入24點(diǎn)，輸出24點(diǎn).FX2N是FX系列中功能最強(qiáng)、速度最高的微型PLC，其有功能很強(qiáng)的數(shù)學(xué)指令集?？赏ㄟ^通信擴(kuò)展板或特殊適配器可實(shí)現(xiàn)多種通信和數(shù)據(jù)鏈接[5-6]。

2.2 線路布置與程序設(shè)計(jì)

2.2.1 I/O分配表及外圍接線圖

2.2.2 程序設(shè)計(jì)（見圖4）

3 市場前景分析

在生態(tài)環(huán)境保護(hù)越發(fā)得到重視的，在機(jī)械自動(dòng)化取代人工的如今，機(jī)械自動(dòng)化環(huán)境治理市場無疑有了朝陽產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)。在經(jīng)過對蘇州一帶的市場調(diào)研結(jié)果分析和營銷預(yù)期后，可以對產(chǎn)品銷量和銷售收入做如下預(yù)測：第一年目標(biāo)市場在蘇州市周莊和同里到所有景區(qū)，預(yù)測銷量1200臺(tái)，隨著產(chǎn)品知名度和市場接納度的提高，將市場擴(kuò)大到全國各大景區(qū)，預(yù)計(jì)之后每年銷售量會(huì)增加，每年增長率為50%、28%、39%、88%[7]。

我們團(tuán)隊(duì)在充分市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，對水上環(huán)衛(wèi)機(jī)項(xiàng)目的目標(biāo)市場進(jìn)行了詳細(xì)的分析。考慮到其盈利能力和經(jīng)營能力，以及其風(fēng)險(xiǎn)評估，確信其發(fā)展前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚震寰.長春市環(huán)境污染治理難點(diǎn)及對策[J].合作經(jīng)濟(jì)與科技，2019（19）：22-23.

[2]李君華，李銳.基于生態(tài)設(shè)計(jì)的城市水上垃圾清潔器設(shè)計(jì)研究[J].美術(shù)大觀，2017（05）：128-129.

[3]邱江.機(jī)械化清掃船設(shè)計(jì)中幾個(gè)關(guān)鍵問題的探討[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2000（02）：52-55.

[4]劉星，楊文武，丁金美.水上流動(dòng)排污案件的特點(diǎn)及對策措施研究[J].中國水利，2014（22）：60+72.

[5]王?；?電氣控制中的PLC自動(dòng)化應(yīng)用研究[J].建材與裝飾，2020（03）：233-234.

[6]孫兆華.機(jī)電自動(dòng)化控制中PLC技術(shù)的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2019（36）：73.

[7]中國垃圾分類大背景下的行業(yè)競爭格局展望[J].資源再生，2019（10）：32-33.